(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂２０〜６５重量％と炭素繊維３５〜８０重量％からなる成形体であって、該炭素繊維が単繊維状であり、かつ該炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が０．５〜１０ｍｍの範囲であり、本明細書中で定義される該炭素繊維の配向パラメータ（ｆｐ）が−０．２５〜０．２５の範囲である繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【請求項２】
前記炭素繊維の本明細書中で定義される分散パラメータが０〜２５％の範囲である請求の範囲１記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【請求項３】
前記炭素繊維の配向角度度数分布において、本明細書中で定義される３０°刻みの相対度数の最大値が０．２９以下である請求の範囲１または２記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【請求項４】
前記炭素繊維の配向角度度数分布において、本明細書中で定義される３０°刻みの相対度数の最小値が０．０３以上である請求の範囲１〜３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【請求項５】
前記炭素繊維の繊維長１．０ｍｍ以上の炭素繊維本数が全炭素繊維本数の３０〜１００％の範囲である請求の範囲１〜４のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【請求項６】
前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体の本明細書中で定義されるボイド率が５％以下である請求の範囲１〜５のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【請求項７】
前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体のＩＳＯ１７８に基づく曲げ強度が３５０〜１１００ＭＰａの範囲である請求の範囲１〜６のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【請求項８】
前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体のＩＳＯ１７８に基づく曲げ強度における、曲げ強度の安定性が１０％以下である請求の範囲１〜７のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【請求項９】
熱可塑性樹脂繊維２０〜６５重量％と炭素繊維３５〜８０重量％からなる成形材料であって、単繊維状の炭素繊維と単繊維状の熱可塑性樹脂繊維からなり、該炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が１〜１５ｍｍの範囲であり、本明細書中で定義される該炭素繊維の配向パラメータ（ｆｐ）が−０．２５〜０．２５の範囲である成形材料。
【請求項１０】
前記単繊維状の熱可塑性樹脂繊維が、少なくとも２本以上の前記単繊維状の炭素繊維と接している請求の範囲９記載の成形材料。
【請求項１１】
前記炭素繊維の配向角度度数分布において、本明細書中で定義される３０°刻みの相対度数の最大値が０．２９以下である請求の範囲９または１０記載の成形材料。
【請求項１２】
前記炭素繊維の配向角度度数分布において、本明細書中で定義される３０°刻みの相対度数の最小値が０．０３以上である請求の範囲９〜１１のいずれかに記載の成形材料。
【請求項１３】
前記炭素繊維の本明細書中で定義される分散パラメータが０〜２５％の範囲にある請求の範囲９〜１２のいずれかに記載の成形材料。
【請求項１４】
前記炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）と数平均繊維長（Ｌｎ）の比（Ｌｗ／Ｌｎ）が、１．０〜２．５の範囲にある請求の範囲９〜１３のいずれかに記載の成形材料。
【請求項１５】
請求の範囲９〜１４のいずれかに記載の成形材料を、次の少なくとも（Ｉ）〜（Ｖ）の工程を含む圧縮成形法で成形する繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
（Ｉ）成形材料に含まれる熱可塑性樹脂を加熱溶融する工程
（ＩＩ）金型に成形材料を配置する工程
（ＩＩＩ）金型で成形材料を加圧する工程
（ＩＶ）金型内で成形材料を固化する工程
（Ｖ）金型を開き、繊維強化熱可塑性樹脂成形体を脱型する工程
【請求項１６】
（ＩＩＩ）の工程において、成形材料への加圧を除荷し、再度成形材料を加圧する操作を、少なくとも１回以上行う請求の範囲１５記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
【請求項１７】
前記圧縮成形での加圧力が２〜４０ＭＰａである請求の範囲１５または１６記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
【請求項１８】
金型のキャビティー内に配置する成形材料のチャージ率が８０％以上である請求の範囲１５〜１７のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体、成形材料、およびその製造方法に関するものである。本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、単繊維状の炭素繊維が高含有率で含まれ、その繊維長が長く、かつ炭素繊維がランダムに配置されているため、力学特性およびその等方性に優れ、電気・電子機器、土木・建築、自動車、航空機の部品、構造部品、および筐体などに好適に用いられる。本発明の成形材料は、単繊維状の炭素繊維と、単繊維状の熱可塑性樹脂繊維からなるため、取り扱い性に優れ、また炭素繊維が高含有率で含まれ、その繊維長が長く、かつ炭素繊維がランダムに配置されているため、力学特性およびその等方性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形体の成形に好適に用いることができる。本発明の製造方法は、前記成形材料を用いた圧縮成形法であり、力学特性、およびその等方性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形体を製造するのに好適に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維と熱可塑性樹脂からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、比強度、比剛性に優れているため、電気・電子用途、土木・建築用途、自動車用途、航空機用途等に広く用いられている。
一般的に繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、力学特性を高めるため、炭素繊維を連続繊維で使用することがある。反面、賦形性が悪く、複雑形状の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造が困難な場合がある。そこで、炭素繊維を不連続繊維とすることで、複雑形状の繊維強化熱可塑性樹脂成形体を製造することが好適に用いられている。
例えば、これらの繊維強化熱可塑性樹脂成形体の力学特性およびその等方性を向上させる手段として、熱可塑性樹脂中に束状の炭素繊維を含浸させた短冊状片を、無作為な方向に配置した繊維強化熱可塑性樹脂成形体が提案されている（特許第２５０７５６５号公報（第４頁、第１８行）参照）。しかし、繊維強化熱可塑性樹脂成形体中に炭素繊維が束の状態で存在するため、炭素繊維の束と束の隙間に樹脂のみで構成される樹脂リッチ部が発生し、力学特性が低下する場合がある。
また、集束した不連続炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維からなるスタンパブルシートを圧縮成形した熱可塑性樹脂成形体が提案されている（特開２００２−２１２３１１号公報（第２頁、第２１行）参照）。しかし、熱可塑性樹脂は溶融粘度が高いため、熱可塑性樹脂が集束した炭素繊維束内に含浸できず、未含浸部となり、力学特性が低下する場合がある。
そこで単繊維状の不連続炭素繊維と熱可塑性樹脂粉体からなり、その炭素繊維の体積含有率が高い成形材料を、圧縮成形する熱可塑性樹脂成形体が提案されている（特許第１７６１８７４号公報（第１頁、第２行）参照）。しかし、不連続強化繊維と熱可塑性樹脂粒子からなる成形材料は、成形材料を製造する工程、特に成形材料の移送工程において、また繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造する工程、特に成形材料を取り扱う搬送工程において、成形材料から熱可塑性樹脂粒子が脱落するため、成形材料の取り扱い性が悪い問題がある。
また、均一分散した炭素繊維と熱可塑性樹脂から得られる繊維強化樹脂シート材料を加熱成形した力学特性の高い繊維強化熱可塑性樹脂成形体が提案されている（特開平６−９９４３１号公報（第２頁、第５０行）参照）。しかし、繊維強化樹脂シート材料を加熱成形する工程で繊維強化樹脂シート材料が流動するため、炭素繊維が流動方向に配向し、力学特性の等方性が損なわれる場合がある。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、かかる従来技術の背景を鑑み、単繊維状の炭素繊維が熱可塑性樹脂中に高含有率で含まれ、その炭素繊維の繊維長が長く、かつ炭素繊維をランダムに配置することで、力学特性、およびその等方性を向上させた繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供することを目的とするものである。
本発明は、かかる従来技術の背景を鑑み、単繊維状の炭素繊維と、単繊維状の熱可塑性樹脂繊維とから構成することで取り扱い性を向上させ、また炭素繊維が高含有率で含まれ、その繊維長が長く、かつ炭素繊維をランダムに配置することで、力学特性およびその等方性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形体に好適に用いることができる成形材料を提供することを目的とするものである。
本発明は、かかる従来技術の背景を鑑み、前記成形材料を圧縮成形することで、力学特性、およびその等方性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形体を製造する製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明は、上記目的を達成するため、以下の構成を採用するものである。
（１）熱可塑性樹脂２０〜６５重量％と炭素繊維３５〜８０重量％からなる成形体であって、該炭素繊維が単繊維状であり、かつ該炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が０．５〜１０ｍｍの範囲であり、本明細書中で定義される該炭素繊維の配向パラメータ（ｆｐ）が−０．２５〜０．２５の範囲である繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
（２）前記炭素繊維の本明細書中で定義される分散パラメータが０〜２５％の範囲である前記（１）に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
（３）前記炭素繊維の配向角度度数分布において、本明細書中で定義される３０°刻みの相対度数の最大値が０．２９以下である前記（１）または（２）に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
（４）前記炭素繊維の配向角度度数分布において、本明細書中で定義される３０°刻みの相対度数の最小値が０．０３以上である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
（５）前記炭素繊維の繊維長１．０ｍｍ以上の炭素繊維本数が全炭素繊維本数の３０〜１００％の範囲である前記（１）〜（４）のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
（６）前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体の本明細書中で定義されるボイド率が５％以下である前記（１）〜（５）のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
（７）前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体のＩＳＯ１７８に基づく曲げ強度が３５０〜１１００ＭＰａの範囲である前記（１）〜（６）のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
（８）前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体のＩＳＯ１７８に基づく曲げ強度における、曲げ強度の安定性が１０％以下である前記（１）〜（７）のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
（９）熱可塑性樹脂繊維２０〜６５重量％と炭素繊維３５〜８０重量％からなる成形材料であって、単繊維状の炭素繊維と単繊維状の熱可塑性樹脂繊維からなり、該炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が１〜１５ｍｍの範囲であり、本明細書中で定義される該炭素繊維の配向パラメータ（ｆｐ）が−０．２５〜０．２５の範囲である成形材料。
（１０）前記単繊維状の熱可塑性樹脂繊維が、少なくとも２本以上の前記単繊維状の炭素繊維と接している前記（９）に記載の成形材料。
（１１）前記炭素繊維の配向角度度数分布において、本明細書中で定義される３０°刻みの相対度数の最大値が０．２９以下である前記（９）または（１０）に記載の成形材料。
（１２）前記炭素繊維の配向角度度数分布において、本明細書中で定義される３０°刻みの相対度数の最小値が０．０３以上である前記（９）〜（１１）のいずれかに記載の成形材料。
（１３）前記炭素繊維の本明細書中で定義される分散パラメータが０〜２５％の範囲にある前記（９）〜（１２）のいずれかに記載の成形材料。
（１４）前記炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）と数平均繊維長（Ｌｎ）の比（Ｌｗ／Ｌｎ）が、１．０〜２．５の範囲にある前記（９）〜（１３）のいずれかに記載の成形材料。
（１５）前記（９）〜（１４）のいずれかに記載の成形材料を、少なくとも次の（Ｉ）〜（Ｖ）の工程を含む圧縮成形法で成形する繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
（Ｉ）成形材料に含まれる熱可塑性樹脂を加熱溶融する工程
（ＩＩ）金型に成形材料を配置する工程
（ＩＩＩ）金型で成形材料を加圧する工程
（ＩＶ）金型内で成形材料を固化する工程
（Ｖ）金型を開き、繊維強化熱可塑性樹脂成形体を脱型する工程
（１６）（ＩＩＩ）の工程において、成形材料への加圧を除荷し、再度成形材料を加圧する操作を、少なくとも１回以上行う前記（１５）に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
（１７）前記圧縮成形での加圧力が２〜４０ＭＰａである前記（１５）または（１６）に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
（１８）前記金型のキャビティー内に配置する成形材料のチャージ率が８０％以上である前記（１５）〜（１７）のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、単繊維状の炭素繊維が熱可塑性樹脂中に高含有率で含まれ、その繊維長が長く、かつ炭素繊維がランダムに配置されているため、力学特性が高く、さらに等方的な力学特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得ることができる。この繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、電気・電子機器、ＯＡ機器、家電機器、土木・建築、自動車、航空機の部品、構造部品および筐体などに好適に用いられる。
本発明の成形材料は、単繊維状の炭素繊維と、単繊維状の熱可塑性樹脂繊維からなるため、取り扱い性に優れ、また炭素繊維が高含有率で含まれ、その繊維長が長く、かつ炭素繊維がランダムに配置されているため、力学特性およびその等方性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形体に好適に用いることができる成形材料を得ることができる。
また、前記成形材料を圧縮成形することにより、力学特性が高く、さらに等方的な力学特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体を製造することができる。
本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願２００６−４７９８７号の明細書および／または図面に記載される内容を包含する。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、炭素繊維が単繊維の状態で熱可塑性樹脂中に分散している、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の切断面の模式図である。
図２は、炭素繊維が束の状態で存在する、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の切断面の模式図である。
図３は、本発明の実施例２で得られた繊維強化熱可塑性樹脂成形体の切断面を示す光学顕微鏡写真である。
図４は、比較例２で得られた繊維強化熱可塑性樹脂成形体の切断面を示す光学顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【０００５】
１  炭素繊維
２  熱可塑性樹脂
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体、成形材料、およびその製造方法について、さらに詳細に説明する。
『繊維強化熱可塑性樹脂成形体』
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、熱可塑性樹脂２０〜６５重量％と炭素繊維３５〜８０重量％からなる成形体であって、該炭素繊維が単繊維状であり、かつ該炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が０．５〜１０ｍｍの範囲であり、本明細書中で定義される該炭素繊維の配向パラメータ（ｆｐ）が−０．２５〜０．２５の範囲の成形体である。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の炭素繊維は、その重量含有率が繊維強化熱可塑性樹脂成形体に対して３５〜８０重量％であり、より好ましくは３８〜７５重量％であり、さらに好ましくは４０〜７０重量％である。炭素繊維の重量含有率が３５重量％未満であると、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の力学特性が構造部品として不足する場合がある。さらに成形体の成形工程において成形材料が流動し、炭素繊維が流動方向に配向することで、力学特性の等方性が損なわれる場合もある。また、炭素繊維の重量含有率が８０重量％を越えると、炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の量が根本的に少なくなり、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の力学特性が著しく低下する場合がある。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の炭素繊維は、単繊維状である。ここで、単繊維状とは、図１に示すように、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の切断面において、炭素繊維が実質的に均一に分散している状態を示す。図２に示すように、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の切断面において、炭素繊維が束の状態で存在すると、炭素繊維の束と束の隙間に樹脂のみで構成される樹脂リッチ部が発生し、力学特性が低下する場合がある。また炭素繊維が束の状態で存在すると、炭素繊維束内に熱可塑性樹脂が含浸できず、未含浸部となり、力学特性が低下する場合もある。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が０．５〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．８〜８ｍｍであり、さらに好ましくは１〜７ｍｍである。炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が０．５ｍｍ未満であると、構造部品として力学特性が不足する場合があり、１０ｍｍを越えると、炭素繊維を単繊維状とできず、成形体中にボイドが発生し、力学特性が低下する場合がある。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、力学特性の観点より、炭素繊維の数平均繊維長（Ｌｎ）が０．４〜９ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．７〜７ｍｍであり、さらに好ましくは０．９〜６ｍｍである。
ここで、重量平均繊維長（Ｌｗ）および数平均繊維長（Ｌｎ）は、次の方法により測定する。繊維強化熱可塑性樹脂成形体から炭素繊維を抽出し、無作為に４００本選び出し、その長さを１μｍ単位まで光学顕微鏡もしくは走査型電子顕微鏡にて測定して、次式により、その重量平均繊維長（Ｌｗ）および数平均繊維長（Ｌｎ）を算出することにより行う。
・重量平均繊維長（Ｌｗ）＝Σ（Ｌｉ×ｗｉ／１００）
・数平均繊維長（Ｌｎ）＝（ΣＬｉ）／４００
・Ｌｉ：測定した繊維長（ｉ＝１、２、３、・・・、４００）
・Ｗｉ：繊維長さＬｉの繊維の重量分率（ｉ＝１、２、３、・・・、４００）
炭素繊維の抽出方法としては、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一部を切り出し、熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒により十分溶解させた後、濾過などの公知の操作により炭素繊維と分離することができる。熱可塑性樹脂を溶解する溶媒が無い場合は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一部を切り出し、熱可塑性樹脂を加熱炉にて焼却除去して炭素繊維を分離する手法を用いることができる。無作為に抽出する測定炭素繊維本数を４００本以上とすれば、算出される炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）および数平均繊維長（Ｌｎ）の値はほぼ変化がなくなる。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面における炭素繊維の配向状態は、配向パラメータ（ｆｐ）で表される。本発明における繊維強化熱可塑性樹脂成形体の配向パラメータ（ｆｐ）は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面から深さ１００μｍの部分における炭素繊維の繊維配向分布を−１．０〜１．０の数値で表すパラメータのことであり、ｆｐ＝−１．０およびｆｐ＝１．０のとき、炭素繊維が１方向に配向していることを意味し、ｆｐ＝０．０のとき、炭素繊維が完全にランダムに配置されていることを意味する。本発明では、ｆｐが−０．２５〜０．２５の範囲であれば、繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面の炭素繊維が実質的にランダムに配置されており、本発明の効果が十分に発現できるが、好ましくは−０．２〜０．２の範囲であり、より好ましくは−０．１５〜０．１５の範囲であり、さらに好ましくは−０．１〜０．１の範囲である。ｆｐが−０．２５未満、またはｆｐが０．２５を越えると、炭素繊維の配向偏りが大きくなり、力学特性の等方性が損なわれる場合がある。
配向パラメータ（ｆｐ）としては、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  ｖｏｌ．６，ｐｐ．４１−４６（１９８５）に、射出成形品断面の繊維配向角度を計測し、配向パラメータを算出する方法が開示されている。本発明では、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の配向パラメータ（ｆｐ）を、次の方法により測定した。繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一部を切断し繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面から１００μｍの深さまで研磨し得た試験片を光学顕微鏡にて観察し、無作為に４００本の炭素繊維を選び出す。研磨面の炭素繊維は一般的に楕円形で確認され、この楕円の長軸方向を繊維の配向方向とする。次に、角度の基準となる基準直線を任意に設定し、基準直線に対する選び出した炭素繊維の配向方向のなす角度（以下、配向角度αｉと略す。）を全て測定する。配向角度αｉは、基準直線に対して反時計回りの方向の角度を測定した、０°以上１８０°未満の角度のこととする。この配向角度αｉを用いて、次式により配向パラメータ（ｆｐ）を算出した。
・ｆｐ＝２×Σ（ｃｏｓ２αｉ／４００）−１
・αｉ：測定した配向角度（ｉ＝１、２、３、・・・、４００）
無作為に選び出す炭素繊維本数を４００本以上とすれば、配向パラメータ（ｆｐ）の値はほぼ変化がなくなる。また繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面から深さ１５０μｍ以下の領域であれば、配向パラメータ（ｆｐ）の値はほぼ変化なく、繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面の配向パラメータ（ｆｐ）を測定することができる。繊維強化熱可塑性樹脂成形体の配向パラメータ（ｆｐ）を測定する部分としては、特に制限はないが、繊維強化熱可塑性樹脂成形体端部を避け、できるだけ中央近辺で、さらにボス、リブ、および成形体の厚み変化がない部分を用いて測定することが好ましい。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、力学特性の観点から、含まれる炭素繊維の分散パラメータが、０〜２５％であると好ましく、より好ましくは０〜２２％であり、さらに好ましくは０〜２０％である。繊維強化熱可塑性樹脂成形体の分散パラメータとは、繊維強化熱可塑性樹脂成形体に含まれる炭素繊維の重量含有率のバラツキを表す指標であり、本発明では繊維強化熱可塑性樹脂成形体の切断面における炭素繊維本数のバラツキを測定した値として表す。この分散パラメータは、次の方法により測定する。繊維強化熱可塑性樹脂成形体から一部を切り出し、その切断面を研磨し、光学顕微鏡で観察し、無作為に０．１ｍｍ×０．１ｍｍの範囲を１０カ所選び出し、その範囲内に含まれる炭素繊維の本数を測定する。選び出した１０カ所の炭素繊維の本数の平均値をＡ、標準偏差をＳとし、次式により分散パラメータを求める。
・分散パラメーター（１００×Ｓ／Ａ）（単位：％）
また、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の分散パラメータを測定する部分としては、特に制限はないが、繊維強化熱可塑性樹脂成形体端部を避け、できるだけ中央近辺で、さらにボス、リブ、および成形体の厚み変化がない部分を用いて測定することが好ましい。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、力学特性の等方性の観点から、炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最大値が０．２９以下であることが好ましく、より好ましくは０．２６以下であり、さらに好ましくは０．２３以下である。また本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、力学特性の等方性の観点から、炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最小値が０．０３以上であることが好ましく、より好ましくは０．０６以上であり、さらに好ましくは０．１０以上である。炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数とは、繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面の炭素繊維の配向角度分布を表す指標であり、本発明では繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面から深さ１００μｍの部分における炭素繊維の配向角度を、３０°刻みで相対度数として表したものである。炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最大値および最小値は、次の方法で測定する。上述の配向パラメータ（ｆｐ）の算出に使った４００本の炭素繊維の配向角度αｉを用いて、３０°刻みの炭素繊維の配向角度相対度数分布を作成し、その最大値および最小値を、炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最大値および最小値とした。無作為に選び出す炭素繊維本数を４００本以上とすれば、炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最大値および最小値は、ほぼ変化がなくなる。また繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面から深さ１５０μｍ以下の領域であれば、炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最大値および最小値の変化はほぼなく、繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面の炭素繊維の配向角度分布を測定することができる。また、炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最大値および最小値を測定する部分としては、特に制限はないが、繊維強化熱可塑性樹脂成形体端部を避け、できるだけ中央近辺で、さらにボス、リブ、および成形体の厚み変化がない部分を用いて測定することが好ましい。炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最大値および最小値が０．１７であると、繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面の炭素繊維が完全にランダム配置していることを意味する。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、力学特性の観点から、繊維長が１．０ｍｍ以上である炭素繊維本数が全炭素繊維本数の３０〜１００％であると好ましく、より好ましくは３５〜９５％であり、さらに好ましくは４０〜９０％である。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、力学特性の観点から、繊維長が２．０ｍｍ以上である炭素繊維本数が全炭素繊維本数の１０〜１００％であると好ましく、より好ましくは１５〜９５％であり、さらに好ましくは２０〜９０％である。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、力学特性の観点から、繊維長が３．０ｍｍ以上である炭素繊維本数が全炭素繊維本数の２〜１００％であると好ましく、より好ましくは３〜９５％であり、さらに好ましくは５〜９０％である。
本発明における繊維強化熱可塑性樹脂成形体のボイド率は、力学特性の観点から、５％以下であることが好ましく、より好ましくは３％以下であり、さらに好ましくは２％以下である。繊維強化熱可塑性樹脂成形体のボイド率は、次の方法により測定する。繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一部を切り出し、ＪＩＳ  Ｋ  ７１１２（１９９９）の５に記載のＡ法（水中置換法）に従い、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の密度（ρｃ）を測定する。この繊維強化熱可塑性樹脂成形体の密度（ρｃ）および熱可塑性樹脂の密度（ρｒ）を用いて、次式により繊維強化熱可塑性樹脂成形体のボイド率（Ｖｖ）を求める。
・Ｖｖ＝１００−ρｃ／ρｒ（単位：体積％）
繊維強化熱可塑性樹脂成形体のボイド率（Ｖｖ）を測定する部分としては、特に制限はないが、繊維強化熱可塑性樹脂成形体端部を避け、できるだけ中央近辺で、さらにボス、リブ、および成形体の厚み変化がない部分を用いて測定することが好ましい。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体のＩＳＯ１７８に基づき測定した曲げ強度は、３５０〜１１００ＭＰａであると好ましく、より好ましい曲げ強度は３７０〜１０００ＭＰａの範囲であり、さらに好ましくは４００〜９００ＭＰａの範囲である。曲げ強度が好ましい範囲内であれば、構造部品として使用可能な強度となり好ましい態様である。
また、力学特性の等方性の観点から、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体のＩＳＯ１７８に基づき測定した曲げ強度の安定性は１０％以下であることが好ましく、より好ましくは８％以下であり、さらに好ましくは７％以下である。曲げ強度の安定性の下限値は特に限定はなく、構造部品の等方的な力学特性の観点より、０％であることが最も好ましい。
さらに本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体のＩＳＯ１７８に基づき測定した曲げ弾性率は、構造部品への適用の観点から、１７ＧＰａ以上であることが好ましく、より好ましくは２０ＧＰａ以上であり、さらに好ましくは２３ＧＰａ以上である。
「炭素繊維」
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に用いられる炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル繊維を原料とするＰＡＮ系炭素繊維、石炭タールや石油ピッチを原料とするピッチ系炭素繊維、ビスコースレーヨンや酢酸セルロースなどを原料とするセルロース系炭素繊維、炭化水素などを原料とする気相成長系炭素繊維、およびこれらの黒鉛化繊維などが好ましく挙げられる。また、これら２種類以上をブレンドしても良い。なかでも、強度と弾性率とのバランスに優れているＰＡＮ系炭素繊維がとりわけ好ましく用いられる。
また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に用いられる炭素繊維の引張強度は、３．７ＧＰａ以上が好ましく、より好ましくは４．０ＧＰａ以上であり、さらに好ましくは４．２ＧＰａ以上であり、繊維強化熱可塑性樹脂成形体中の炭素繊維の折損を少なくできる。また、該炭素繊維の引張弾性率は、構造部品への適用の観点から、１８０〜６５０ＧＰａのものが好ましく使用できる。
「熱可塑性樹脂」
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に用いる熱可塑性樹脂としては、例えば、「ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、液晶ポリエステル等のポリエステルや、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン等のポリオレフィンや、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）」などの結晶性樹脂、「スチレン系樹脂の他、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリサルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート（ＰＡＲ）」などの非晶性樹脂、その他、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、更にポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、ポリイソプレン系、フッ素系、およびアクリロニトリル系等の熱可塑エラストマー等や、これらの共重合体および変性体等から選ばれる熱可塑性樹脂が挙げられる。本発明においては、これらの少なくとも１種を好ましい熱可塑性樹脂として採用することができる。より好ましくは、力学特性の観点から、ポリアミド（ＰＡ）が良く、耐熱性の観点から、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が良く、経済性の観点から、ポリプロピレン（ＰＰ）が良い。
「添加剤、充填剤等」
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体には、その用途に応じて、更に、マイカ、タルク、カオリン、セリサイト、ベントナイト、ゾノトライト、セピオライト、スメクタイト、モンモリロナイト、ワラステナイト、シリカ、炭酸カルシウム、ガラスビーズ、ガラスフレーク、ガラスマイクロバルーン、クレー、二硫化モリブデン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アンチモン、ポリリン酸カルシウム、グラファイト、硫酸バリウム、硫酸マグネシウム、ホウ酸亜鉛、ホウ酸亜カルシウム、ホウ酸アルミニウムウィスカ、チタン酸カリウムウィスカおよび高分子化合物などの充填材、金属系、金属酸化物系、カーボンブラックおよびグラファイト粉末などの導電性付与材、臭素化樹脂などのハロゲン系難燃剤、三酸化アンチモンや五酸化アンチモンなどのアンチモン系難燃剤、ポリリン酸アンモニウム、芳香族ホスフェートおよび赤燐などのリン系難燃剤、有ホウ酸金属塩、カルボン酸金属塩および芳香族スルホンイミド金属塩などの有機酸金属塩系難燃剤、硼酸亜鉛、亜鉛、酸化亜鉛およびジルコニウム化合物などの無機系難燃剤、シアヌル酸、イソシアヌル酸、メラミン、メラミンシアヌレート、メラミンホスフェートおよび窒素化グアニジンなどの窒素系難燃剤、ＰＴＦＥなどのフッ素系難燃剤、ポリオルガノシロキサンなどのシリコーン系難燃剤、水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物系難燃剤、またその他の難燃剤、酸化カドミウム、酸化亜鉛、酸化第一銅、酸化第二銅、酸化第一鉄、酸化第二鉄、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化スズおよび酸化チタンなどの難燃助剤、顔料、染料、滑剤、離型剤、相溶化剤、分散剤、マイカ、タルクおよびカオリンなどの結晶核剤、リン酸エステルなどの可塑剤、熱安定剤、酸化防止剤、着色防止剤、紫外線吸収剤、流動性改質剤、発泡剤、抗菌剤、制振剤、防臭剤、摺動性改質剤、およびポリエーテルエステルアミドなどの帯電防止剤等を添加しても良い。
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、炭素繊維に加えて、アルミニウム繊維やステンレス繊維などの金属繊維、アラミド繊維やＰＢＯ繊維などの有機繊維、シリコンカーバイド繊維やガラス繊維などの無機繊維、および麻やケナフなどの天然繊維を使用しても良い。とりわけ、ガラス繊維は経済面に有利であり、好ましく用いられる。
「用途」
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の用途としては、例えば、「パソコン、ディスプレイ、ＯＡ機器、携帯電話、携帯情報端末、ファクシミリ、コンパクトディスク、ポータブルＭＤ、携帯用ラジオカセット、ＰＤＡ（電子手帳などの携帯情報端末）、ビデオカメラ、デジタルビデオカメラ、光学機器、オーディオ、エアコン、照明機器、娯楽用品、玩具用品、その他家電製品などの筐体、トレイ、シャーシ、内装部材、またはそのケース」などの電気、電子機器部品、「支柱、パネル、補強材」などの土木、建材用部品、「各種メンバ、各種フレーム、各種ヒンジ、各種アーム、各種車軸、各種車輪用軸受、各種ビーム、プロペラシャフト、ホイール、ギアボックスなどの、サスペンション、アクセル、またはステアリング部品」、「フード、ルーフ、ドア、フェンダ、トランクリッド、サイドパネル、リアエンドパネル、アッパーバックパネル、フロントボディー、アンダーボディー、各種ピラー、各種メンバ、各種フレーム、各種ビーム、各種サポート、各種レール、各種ヒンジなどの、外板、またはボディー部品」、「バンパー、バンパービーム、モール、アンダーカバー、エンジンカバー、整流板、スポイラー、カウルルーバー、エアロパーツなど外装部品」、「インストルメントパネル、シートフレーム、ドアトリム、ピラートリム、ハンドル、各種モジュールなどの内装部品」、または「モーター部品、ＣＮＧタンク、ガソリンタンク、燃料ポンプ、エアーインテーク、インテークマニホールド、キャブレターメインボディー、キャブレタースペーサー、各種配管、各種バルブなどの燃料系、排気系、または吸気系部品」などの自動車、二輪車用構造部品、「その他、オルタネーターターミナル、オルタネーターコネクター、ＩＣレギュレーター、ライトディヤー用ポテンショメーターベース、エンジン冷却水ジョイント、エアコン用サーモスタットベース、暖房温風フローコントロールバルブ、ラジエーターモーター用ブラッシュホルダー、タービンベイン、ワイパーモーター関係部品、ディストリビュター、スタータースィッチ、スターターリレー、ウィンドウオッシャーノズル、エアコンパネルスイッチ基板、燃料関係電磁気弁用コイル、バッテリートレイ、ＡＴブラケット、ヘッドランプサポート、ペダルハウジング、プロテクター、ホーンターミナル、ステップモーターローター、ランプソケット、ランプリフレクター、ランプハウジング、ブレーキピストン、ノイズシールド、スペアタイヤカバー、ソレノイドボビン、エンジンオイルフィルター、点火装置ケース、スカッフプレート、フェイシャー」、などの自動車、二輪車用部品、「ランディングギアポッド、ウィングレット、スポイラー、エッジ、ラダー、エレベーター、フェイリング、リブ」などの航空機用部品が挙げられる。力学特性の観点より、電気、電子機器用の筐体、土木、建材用のパネル、自動車用の構造部品、航空機用の部品に好ましく用いられる。とりわけ、力学特性および等方性の観点より、自動車、二輪車用の構造部品に好ましく用いられる。
『成形材料』
次に本発明の成形材料について説明する。
本発明の成形材料は、熱可塑性樹脂繊維２０〜６５重量％と炭素繊維３５〜８０重量％からなる成形材料であって、単繊維状の炭素繊維と単繊維状の熱可塑性樹脂繊維からなり、該炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が１〜１５ｍｍの範囲であり、本明細書中で定義される該炭素繊維の配向パラメータ（ｆｐ）が−０．２５〜０．２５の範囲である成形材料である。
本発明の成形材料における炭素繊維の重量含有率は、成形材料に対して３５〜８０重量％であり、より好ましくは３８〜７５重量％であり、さらに好ましくは４０〜７０重量％である。炭素繊維の重量含有率が３５重量％未満であると、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の力学特性が構造部品として不足する場合がある。さらに繊維強化熱可塑性樹脂成形体の成形工程で成形材料が流動し、炭素繊維が流動方向に配向することで、力学特性の等方性が損なわれる場合がある。また、炭素繊維の重量含有率が８０重量％を越えると、炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の量が根本的に少なくなり、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の力学特性が著しく低下する場合がある。
本発明の成形材料は、単繊維状の炭素繊維と単繊維状の熱可塑性樹脂繊維からなるため、単繊維状の炭素繊維と単繊維状の熱可塑性樹脂繊維が３次元的な網目体を構成する。そのため、成形材料を製造する工程や、成形材料を用いて繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造する工程において、炭素繊維および熱可塑性樹脂繊維の原料脱落を少なくでき、また成形材料の強度を向上できるため、取り扱い性の良い成形材料を得ることができる。炭素繊維および熱可塑性樹脂繊維が束状であると、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維の絡み合いが少なくなるため、炭素繊維および熱可塑性樹脂繊維の原料脱落が多くなり、また成形材料の強度が低下する場合がある。さらに、熱可塑性樹脂が粒子状であると、成形材料中に熱可塑性樹脂を保持できず、熱可塑性樹脂粒子の原料脱落が多くなる場合がある。
本発明の成形材料は、前記網目体を構成する観点から、熱可塑性樹脂繊維が少なくとも２本以上の炭素繊維と接することが好ましい。より好ましくは３本以上、さらに好ましくは５本以上、とりわけ好ましくは１０本以上の炭素繊維と接していると良い。
本発明の成形材料は、炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が１〜１５ｍｍであり、より好ましくは１．５〜１２．５ｍｍであり、さらに好ましくは２〜１０ｍｍである。炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）が１ｍｍ未満であると、構造部品として力学特性が不足する場合があり１５ｍｍを越えると、炭素繊維を単繊維状とできず、成形体中にボイドが発生し、力学特性が低下する場合がある。
本発明の成形材料は、力学特性の観点より、炭素繊維の数平均繊維長（Ｌｎ）が１〜１５ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１．５〜１２．５ｍｍであり、さらに好ましくは２〜１０ｍｍである。
ここで、成形材料の重量平均繊維長（Ｌｗ）および数平均繊維長（Ｌｎ）は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の重量平均繊維長（Ｌｗ）および数平均繊維長（Ｌｎ）の測定方法と同様の方法で測定する。
本発明の成形材料表面における炭素繊維の配向状態は、配向パラメータ（ｆｐ）で表される。本発明では、成形材料の配向パラメータ（ｆｐ）は−０．２５〜０．２５の範囲であれば、成形材料表面の炭素繊維が実質的にランダムに配置された状態であり、本発明の効果を十分発現できるが、好ましくは−０．２〜０．２の範囲であり、より好ましくは−０．１５〜０．１５の範囲である。配向パラメータ（ｆｐ）が−０．２５未満、またはｆｐが０．２５を越えると、炭素繊維の配向偏りが大きくなり、成形体における力学特性の等方性が損なわれる場合がある。
本発明における成形材料の配向パラメータ（ｆｐ）は、成形材料表面から深さ１００μｍの部分における炭素繊維の繊維配向分布を−１．０〜１．０の数値で表すパラメータのことであり、次の方法により測定する。成形材料を一部切り出し、エポキシ樹脂中に包埋し、成形材料表面から１００μｍの深さまで研磨し観察用試験片を作成する。この観察用試験片を作成すること以外は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の配向パラメータ（ｆｐ）と同様の方法で測定する。
本発明の成形材料は、成形体の力学特性を等方性とする観点から、炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最大値が０．２９以下であることが好ましく、より好ましくは０．２６以下であり、さらに好ましくは０．２３以下である。また本発明の成形材料は、成形体の力学特性を等方性とする観点から、炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の最小値が０．０３以上であることが好ましく、より好ましくは０．０６以上であり、さらに好ましくは０．１０以上である。成形材料表面の炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数とは、成形材料表面の炭素繊維の配向角度分布を表す指標であり、本発明では成形材料表面から深さ１００μｍの部分における炭素繊維の配向角度を３０°刻みで相対度数として表したものである。成形材料表面の炭素繊維の配向角度度数分布における３０°刻みの相対度数の測定方法としては、繊維強化熱可塑性樹脂成形体と同様の方法で測定する。
本発明の成形材料は、取り扱い性の観点から、含まれる炭素繊維の分散パラメータが、０〜２５％であると好ましく、より好ましくは０〜２２％であり、さらに好ましくは０〜２０％である。成形材料の分散パラメータとは、成形材料に含まれる炭素繊維の重量含有率のバラツキを表す指標であり、本発明では成形材料切断面における炭素繊維本数のバラツキを測定した値として表す。成形材料の分散パラメータは、成形材料を一部切り出し、エポキシ樹脂中に包埋し、成形材料切断面を研磨し観察用試験片を作成すること以外は、前述した繊維強化熱可塑性樹脂成形体の分散パラメータと同様の方法により測定する。
本発明の成形材料は、前記網目体を構成する観点から、炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）と数平均繊維長（Ｌｎ）の比（Ｌｗ／Ｌｎ）が、１．０〜２．５の範囲にあることが好ましく、より好ましくは１．０〜２．２の範囲であり、さらに好ましくは１．０〜２．０の範囲である。ここで、重量平均繊維長（Ｌｗ）と数平均繊維長（Ｌｎ）の比（Ｌｗ／Ｌｎ）が１．０とは、同じ長さの繊維のみで構成されることを表し、重量平均繊維長（Ｌｗ）と数平均繊維長（Ｌｎ）の比（Ｌｗ／Ｌｎ）が大きくなるに従い、繊維長の分布が広くなることを意味する。
本発明の成形材料は、取り扱い性の観点から、シート状であると好ましい。シート状の成形材料とは長手方向や幅方向に対して厚みが小さい、薄くて広い成形材料のことであり、例えばウェブ、不織布、フェルト、マットなどが挙げられる。
「炭素繊維」
本発明の成形材料に用いる炭素繊維は、上述の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に用いた炭素繊維と同様の炭素繊維を好ましく用いることができる。
本発明の成形材料に用いる炭素繊維は、上述の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に用いた炭素繊維と同様の引張強度および引張弾性率を有する炭素繊維を好ましく用いることができる。
「熱可塑性樹脂」
本発明の成形材料に用いる熱可塑性樹脂は、上述の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に用いた熱可塑性樹脂と同様の熱可塑性樹脂を好ましく用いることができる。
「添加剤、充填剤等」
本発明の成形材料には、上述の繊維強化熱可塑性樹脂成形体にさらに添加した添加剤、充填剤等と同様の添加剤、充填剤等が含まれても良い。
「用途」
本発明の成形材料の用途としては、上述の繊維強化熱可塑性樹脂成形体と同様の用途に好ましく適用できる。
『成形材料の製造方法』
次に成形材料の製造方法について説明する。
成形材料の製造方法としては、上述の成形材料が得られる方法であれば特に制限はない。例えば、（１）チョップドの形態を有する炭素繊維束と熱可塑性樹脂繊維を気流ジェット下で開繊、混合し、その混合物をコンベアベルト上に集積させる気流ジェット法、（２）チョップドの形態を有する炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を分散液中で開繊、混合し、有孔支持体上に抄紙する抄紙法、および（３）チョップドの形態を有する炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維をカード機により開繊、混合し、その混合物をコンベアベルト上に集積させる乾式法などが挙げられる。本発明では、より好ましくは、炭素繊維および熱可塑性樹脂繊維の開繊性に優れ、かつその炭素繊維の繊維長を長く維持できる、気流ジェット法または抄紙法が用いられ、さらに好ましくは生産性の観点から、抄紙法が用いられる。
また、気流ジェット法では、気流の流れを制御することで、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を単繊維状で均一に混合し、成形材料の等方性を向上しても良い。抄紙法では、分散液量に対する炭素繊維の濃度を下げたり、分散液を撹拌する撹拌翼を撹拌力の大きな形状としたり、撹拌翼の回転数を高くすることにより、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を単繊維状で均一に混合し、成形材料の等方性を向上しても良い。
『繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法』
次に本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、前記成形材料を、次の少なくとも（Ｉ）〜（Ｖ）の工程を含む圧縮成形法で成形するものである。
（Ｉ）成形材料に含まれる熱可塑性樹脂を加熱溶融する工程
（ＩＩ）金型に成形材料を配置する工程
（ＩＩＩ）金型で成形材料を加圧する工程
（ＩＶ）金型内で成形材料を固化する工程
（Ｖ）金型を開き、繊維強化熱可塑性樹脂成形体を脱型する工程
前記成形材料を圧縮成形することで、強化繊維の繊維長を長く維持でき、炭素繊維を実質的にランダム配置でき、力学特性およびその等方性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形体とすることができる。例えば射出成形では、炭素繊維の繊維長が短くなり、炭素繊維が流動方向に配向することで、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の力学特性が低くなり、またその等方性が損なわれる場合がある。圧縮成形法としては特に制限はなく、例えばスタンピング成形や高圧プレス成形などが挙げられる。
上記の（Ｉ）工程における、加熱温度は、成形材料の賦形性および熱可塑性樹脂の劣化の観点から、成形材料の熱可塑性樹脂が結晶性樹脂の場合、成形材料の温度を熱可塑性樹脂の融点以上、（融点＋８０）℃以下の範囲であることが好ましく、成形材料の熱可塑性樹脂が非結晶性樹脂の場合、成形材料の温度を熱可塑性樹脂の（ガラス転移温度＋６０）℃以上、（ガラス転移温度＋２００）℃以下の範囲であることが好ましい。
上記の（Ｉ）工程において、成形材料に含まれる熱可塑性樹脂を加熱溶融させる方法は、特に制限はなく、例えば熱風加熱、遠赤外線加熱、近赤外線加熱、熱板接触、熱ロール接触、振動加熱など、従来公知の方法を用いることができる。
上記の（Ｉ）工程において、熱可塑性樹脂の劣化の観点から、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気あるいは減圧下で加熱溶融するとさらに好ましい。
熱可塑性樹脂の劣化の観点から、上記の（Ｉ）工程の前に成形材料に含まれる水分を除去する工程を加えても良い。成形材料に含まれる水分を除去する方法は、特に制限はなく、例えば熱風乾燥、遠赤外線乾燥、近赤外線乾燥、真空乾燥、減圧吸引、遠心分離など、従来公知の方法を用いることができる。
上記の（ＩＩ）、（ＩＩＩ）工程において、成形材料の賦形性の観点から、熱可塑性樹脂が溶融している状態で成形材料を金型に配置し、熱可塑性樹脂が溶融している状態で成形材料を加圧することが好ましい。
上記の（ＩＩ）工程において、厚みが異なる部位を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体を成形する時には、成形材料の賦形性の観点から、成形材料を複数積層して金型に配置しても良い。
上記の（ＩＩ）工程において、繊維強化熱可塑性樹脂成形体における力学特性の等方性の観点より、チャージ率が８０％以上であると好ましく、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上であると良い。チャージ率とは金型のキャビティー面積に対する、成形材料の面積の比率のことである。
上記の（ＩＩ）〜（Ｖ）工程における、金型温度は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の脱型性の観点から、熱可塑性樹脂が結晶性樹脂の場合、成形材料の温度を熱可塑性樹脂の（融点−３０）℃以下であると好ましく、熱可塑性樹脂が非結晶性樹脂の場合、成形材料の温度が熱可塑性樹脂の（ガラス転移温度＋５０）℃以下であると好ましい。ここで金型温度とは、金型のキャビティー表面温度のことである。
上記の（ＩＩＩ）工程において、成形材料への加圧を除荷し、再度成形材料を加圧する操作を、少なくとも１回以上行うことが好ましい。成形材料への加圧を除荷し、再度成形材料を加圧することで、キャビティー内の空気や成形材料内に含まれる空気を金型の外に押し出すことができる。この操作は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体のボイド率を５％以下となるまで、より好ましくは３％以下となるまで、さらに好ましくは２％以下となるまで、繰り返して行うと良い。
以下、実施例によって、本発明の成形材料と繊維強化熱可塑性樹脂成形体について具体的に説明するが、下記の実施例は本発明を制限するものではない。
以下、本実施例および比較例で用いた各評価方法を説明する。
（１）繊維長、重量平均繊維長（Ｌｗ）および数平均繊維長（Ｌｎ）の測定方法
成形材料あるいは繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一部を切り出し、マトリックス樹脂（熱可塑性樹脂）を溶解させる溶媒によりマトリックス樹脂を十分溶解させた後、濾過などの公知の操作により炭素繊維と分離する。マトリックス樹脂を溶解する溶媒が無い場合は、成形材料あるいは繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一部を切り出し、５００℃の温度で２時間加熱し、熱可塑性樹脂繊維を焼き飛ばして炭素繊維を分離する。分離した炭素繊維を、無作為に４００本抽出し、光学顕微鏡もしくは走査型電子顕微鏡にてその長さを１μｍ単位まで測定し繊維長とし、次式により重量平均繊維長（Ｌｗ）および数平均繊維長（Ｌｎ）を求める。
・重量平均繊維長（Ｌｗ）＝Σ（Ｌｉ×Ｗｉ／１００）
・数平均繊維長（Ｌｎ）＝（ΣＬｉ）／４００
・Ｌｉ：測定した繊維長（ｉ＝１、２、３、・・・、４００）
・Ｗｉ：繊維長さＬｉの繊維の重量分率（ｉ＝１、２、３、・・・、４００）
なお、無作為に抽出する測定炭素繊維本数を４００本以上とすれば、算出される炭素繊維の重量平均繊維長（Ｌｗ）および数平均繊維長（Ｌｎ）の値にはほぼ変化がなくなる。
（２）分散パラメータ評価方法
繊維強化熱可塑性樹脂成形体を一部切り出し、切り出した試験片をエポキシ樹脂中に包埋し、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の切断面を研磨し観察用試験片を作成する。
また、成形材料を一部切り出し、切り出した試験片と同じサイズを有する２枚のガラス板で成形材料を挟み、クリップで把持し、固定する。この状態でエポキシ樹脂中に包埋し、成形材料の切断面を研磨し観察用試験片を作成する。
研磨して得た繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の切断面を光学顕微鏡にて観察し、無作為に０．１ｍｍ×０．１ｍｍの範囲を１０カ所選び出し、その範囲内に含まれる炭素繊維の本数を測定する。選び出した１０カ所の炭素繊維の本数の平均値をＡ、標準偏差をＳとし、次式により分散パラメータを求める。
・分散パラメータ＝（１００×Ｓ／Ａ）（単位：％）
また、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の分散パラメータの測定用の試験片は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の端部を避け、できるだけ中央近辺で、ボス、リブ、および成形体の厚み変化がない部分を用いた。
繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料に含まれる炭素繊維の重量含有率のバラツキを表す指標として、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の切断面にある分散パラメータを測定し、次の４段階で評価した。○○と○が合格であり、△と×が不合格である。
○○：分散パラメータが２０％未満である。
○  ：分散パラメータが２０％以上２５％未満である。
△  ：分散パラメータが２５％以上３０％未満である。
×  ：分散パラメータが３０％以上である。
（３）配向パラメータ（ｆｐ）評価方法
繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一部を切り出し、切り出した試験片をエポキシ樹脂中に包埋し、繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面を、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の表面から１００μｍの深さまで研磨し観察用試験片を作成する。
また、成形材料を一部切り出し、切り出した試験片をエポキシ樹脂中に包埋し、成形材料表面を成形材料の表面から１００μｍの深さまで研磨し観察用試験片を作成する。
繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の観察用試験片を光学顕微鏡にて観察し、無作為に４００本の炭素繊維を選び出す。炭素繊維の研磨面は一般的に楕円形となっており、この楕円の長軸方向を繊維の配向方向とする。次に、角度の基準とする基準直線を任意に１本設定し、基準直線に対する選び出した炭素繊維の配向方向のなす角度（以下、配向角度αｉと略す。）を全て測定する。配向角度αｉは、基準直線に対して反時計回りの方向の角度を測定した、０°以上１８０°未満の角度のこととする。この配向角度αｉを用いて、次式により繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の配向パラメータ（ｆｐ）を求める。
ｆｐ＝２×Σ（ｃｏｓ２αｉ／４００）−１
・αｉ：測定した配向角度（ｉ＝１、２、３、・・・、４００）
また、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の「配向パラメータ」の測定用試験片としては、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の端部を避け、できるだけ中央近辺で、ボス、リブ、および成形体の厚み変化がない部分を用いた。
炭素繊維のランダム配置の指標として、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の配向パラメータ（ｆｐ）を測定し、以下の４段階で評価した。○○と○が合格であり、△と×が不合格である。
○○：ｆｐが「−０．１５≦ｆｐ≦０．１５」である。
○  ：ｆｐが「−０．２５≦ｆｐ＜−０．１５」、あるいは「０．１５＜ｆｐ≦０．２５」である。
△  ：ｆｐが「−０．３５≦ｆｐ＜−０．２５」、あるいは「０．２５＜ｆｐ≦０．３５」である。
×  ：ｆｐが「−１≦ｆｐ＜−０．３５」、あるいは「０．３５＜ｆｐ≦１」である。
（４）配向角度分布の評価方法
繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一部を切り出し、切り出した試験片をエポキシ樹脂中に包埋し、繊維強化熱可塑性樹脂成形体表面を、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の表面から１００μｍの深さまで研磨し観察用試験片を作成する。
また、成形材料を一部切り出し、切り出した試験片をエポキシ樹脂中に包埋し、成形材料表面を、成形材料の表面から１００μｍの深さまで研磨し観察用試験片を作成する。
繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の観察用試験片を光学顕微鏡にて観察し、無作為に４００本の炭素繊維を選び出す。炭素繊維の研磨面は一般的に楕円形となっており、この楕円の長軸方向を繊維の配向方向とする。次に、角度の基準とする基準直線を任意に１本設定し、基準直線に対する選び出した炭素繊維の配向方向のなす角度（以下、配向角度αｉと略す。）を全て測定する。配向角度αｉは、基準直線に対して反時計回りの方向の角度を測定した、０°以上１８０°未満の角度のこととする。この配向角度αｉの３０°刻みの相対度数は、次式により求める。
・αｉ：測定した配向角度（ｉ＝１、２、・・、４００）
・Ｎ０〜３０：０≦配向角度αｉ＜３０の炭素繊維の本数（ｉ＝１、２、・・、４００）
・Ｎ３０〜６０：３０≦配向角度αｉ＜６０の炭素繊維の本数（ｉ＝１、２、・・、４００）
・Ｎ６０〜９０：６０≦配向角度αｉ＜９０の炭素繊維の本数（ｉ＝１、２、・・、４００）
・Ｎ９０〜１２０：９０≦配向角度αｉ＜１２０の炭素繊維の本数（ｉ＝１、２、・・、４００）
・Ｎ１２０〜１５０：１２０≦配向角度αｉ＜１５０の炭素繊維の本数（ｉ＝１、２、・・、４００）
・Ｎ１５０〜１８０：１５０≦配向角度αｉ＜１８０の炭素繊維の本数（ｉ＝１、２、・・、４００）
・相対度数の最大値＝ＭＡＸ（Ｎ０〜３０、Ｎ３０〜６０、Ｎ６０〜９０、Ｎ９０〜１２０、Ｎ１２０〜１５０、Ｎ１５０〜１８０）／４００
・相対度数の最小値＝ＭＩＮ（Ｎ０〜３０、Ｎ３０〜６０、Ｎ６０〜９０、Ｎ９０〜１２０、Ｎ１２０〜１５０、Ｎ１５０〜１８０）／４００
また、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の配向角度分布の測定用試験片としては、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の端部を避け、できるだけ中央近辺で、ボス、リブ、および成形体の厚み変化がない部分を用いた。
繊維のランダム配向性の指標として、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の配向角度分布の相対度数の最大値を測定し、以下の４段階で評価した。
○○と○が合格であり、△と×が不合格である。
○○：相対度数の最大値が０．１７以上０．２３以下である。
○  ：相対度数の最大値が０．２３より大きく０．２９以下である。
△  ：相対度数の最大値が０．２９より大きく０．３５以下である。
×  ：相対度数の最大値が０．３５より大きい。
また、繊維のランダム配向性の指標として、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の配向角度分布の相対度数の最小値を測定し、以下の４段階で評価した。○○と○が合格であり、△と×が不合格である。
○○：相対度数の最小値が０．１０以上０．１７以下である。
○  ：相対度数の最小値が０．０３以上０．１０未満である。
△  ：相対度数の最小値が０．０１以上０．０３未満である。
×  ：相対度数の最小値が０以上０．０１未満である。
（５）炭素繊維の重量含有率の測定方法
繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料から１ｃｍ×１ｃｍの試験片を切り出し、石英ガラス容器に投入する。この容器を６０℃の温度で２４時間真空乾燥し、デシケータ内で室温まで冷却後、試験片と石英ガラス容器の合計重量Ｗ１（ｇ）、および石英ガラス容器の重量Ｗ０（ｇ）を秤量する。容器に試験片を入れた状態で、空気中、５００℃の温度で２時間加熱し、熱可塑性樹脂を焼き飛ばした後、窒素雰囲気中で室温まで冷却し、炭素繊維と石英ガラス容器の合計重量Ｗ２（ｇ）を秤量する。以上の処理を経て、繊維強化熱可塑性樹脂成形体あるいは成形材料の炭素繊維の重量含有率（Ｗｆ）を、次式により求める。
Ｗｆ＝１００×（Ｗ２−Ｗ０）／（Ｗ１−Ｗ０）（単位：重量％）
測定数はｎ＝５とし、平均値を炭素繊維の重量含有率（Ｗｆ）とした。
（６）繊維強化熱可塑性樹脂成形体の密度測定方法
繊維強化熱可塑性樹脂成形体の密度（ρｃ）は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１１２（１９９９）の５に記載のＡ法（水中置換法）に従い測定した。繊維強化熱可塑性樹脂成形体から１ｃｍ×１ｃｍの試験片を切り出し、６０℃の温度で２４時間真空乾燥し、デシケータ内で室温まで冷却したものを試験片とした。浸積液には、エタノールを用いた。
（７）繊維強化熱可塑性樹脂成形体の炭素繊維の体積含有率およびボイド率の評価方法
（５）で測定した繊維強化熱可塑性樹脂成形体の炭素繊維の重量含有率（Ｗｆ）と、（６）で測定した繊維強化熱可塑性樹脂成形体の密度（ρｃ）を用いて、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）、熱可塑性樹脂の体積含有率（Ｖｒ）、およびボイド率（Ｖｖ）を次式により求める。
Ｖｆ＝Ｗｆ×ρｃ／ρｆ（単位：体積％）
Ｖｒ＝（１００−Ｗｆ）×ρｃ／ρｒ（単位：体積％）
Ｖｖ＝１００−（Ｖｆ＋Ｖｒ）（単位：体積％）
・ρｃ：繊維強化熱可塑性樹脂成形体の密度
・ρｆ：炭素繊維の密度
・ρｒ：熱可塑性樹脂の密度
・Ｗｆ：繊維強化熱可塑性樹脂成形体の炭素繊維の重量含有率
（８）曲げ特性の測定方法
繊維強化熱可塑性樹脂成形体において、角度の基準となる基準直線を任意に１本設定する。この基準直線に対し、平行な方向および垂直な方向に、幅１５ｍｍ×長さ８０ｍｍの大きさの試験片をそれぞれ５枚づつ（合計１０枚）切り出し、６０℃の温度で２４時間真空乾燥した後、デシケータ内で室温まで冷却した。この大きさの曲げ特性評価用試験片が採取できない場合は、幅が５ｍｍ以上であり、幅と長さの比が１５／８０である試験片を作成した。試験片には、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の端部を避け、できるだけ中央近辺で、ボス、リブ、および成形体の厚み変化がない部分を用いた。
この試験片を用い、ＩＳＯ１７８法（１９９３）に従い、３点曲げ試験治具（圧子１０ｍｍ、支点１０ｍｍ）を用いて、支点間距離を試験片厚みの１６±１倍に設定し、試験速度５ｍｍ／分で曲げ特性を測定した。測定数はｎ＝１０とし、平均値Ｐを曲げ強度とした。また、負荷荷重が１００〜２００Ｎの範囲における曲げ弾性率を測定し、測定数ｎ＝１０の平均値Ｅを曲げ弾性率とした。なお、本実施例においては、試験機としてインストロン社製の“インストロン”（登録商標）万能試験機４２０１型を使用した。
また、測定数ｎ＝１０の曲げ強度の平均値Ｐおよび標準偏差σを用い、曲げ強度の安定性を、次式を用いて求めた。
・曲げ強度の安定性＝１００×σ／Ｐ（単位：％）
（９）成形材料の取り扱い性
成形材料を製造するために使用した熱可塑性樹脂および炭素繊維の合計重量（Ｗａ）を測定した。次に、得られた成形材料を、真空下、８０℃の温度で、２４時間乾燥した。乾燥して得られた成形材料の重量（Ｗｂ）を測定し、成形材料製造工程での原料脱落の割合（Ｗｃ）を次式により求める。
Ｗｃ＝１００×（Ｗａ−Ｗｂ）／Ｗａ（単位：％）
成形材料の取り扱い性の指標として、成形材料の製造工程における原料脱落量を測定し、以下の２段階で評価した。○が合格であり、×が不合格である。
○  ：Ｗｃが３％以下である。
×  ：Ｗｃが３％より大きい。
下記の実施例および比較例に用いた原料は、以下のとおりである。
［Ａ１〜Ａ３原料］
アクリロニトリル（ＡＮ）９９．４モル％とメタクリル酸０．６モル％からなる共重合体を用いて、乾湿式紡糸方法により単繊維デニール１ｄ、フィラメント数１２０００のアクリル系繊維束を得た。得られたアクリル系繊維束を２４０〜２８０℃の温度の空気中で、延伸比１．０５で加熱し、耐炎化繊維に転換し、次いで窒素雰囲気中３００〜９００℃の温度領域での昇温速度を２００℃／分とし１０％の延伸を行なった後、１３００℃の温度まで昇温し焼成した。さらに浸積法によりサイジング剤を付与し、１２０℃の温度の加熱空気中で乾燥しＰＡＮ系炭素繊維を得た。
・Ａ１：ＰＡＮ系炭素繊維
総フィラメント数                  １２０００本
単繊維直径                        ７μｍ
単位長さ当たりの質量              ０．８ｇ／ｍ
比重                              １．８ｇ／ｃｍ３
引張強度                          ４．２ＧＰａ
引張弾性率                        ２３０ＧＰａ
サイジング種類                    ポリオキシエチレンオレイルエーテル
サイジング付着量                  １．５重量％
・Ａ２：ＰＡＮ系炭素繊維
総フィラメント数                  １２０００本
単繊維直径                        ７μｍ
単位長さ当たりの質量              ０．８ｇ／ｍ
比重                              １．８ｇ／ｃｍ３
引張強度                          ４．２ＧＰａ
引張弾性率                        ２３０ＧＰａ
サイジング種類                    ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂
サイジング付着量                  ２．０重量％。
［Ｂ１〜Ｂ３原料］
・Ｂ１：ナイロン６樹脂
東レ（株）製、“東レアミラン”（登録商標）ＣＭ１００１
比重                              １．１３
融点                              ２１０℃
・Ｂ２：無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂
三井化学（株）製、“アドマー”（登録商標）ＱＥ５１０
比重                              ０．９１
融点                              １６０℃
・Ｂ３：ポリブチレンテレフタラート樹脂
東レ（株）製、“トレコン”（登録商標）１２００Ｓ
比重                              １．３１
融点                              ２２５℃
【実施例１】
【０００７】
Ａ１（炭素繊維）をカートリッジカッターで６．４ｍｍにカットし、チョップド炭素繊維（Ａ１−１）を得た。Ｂ１（ナイロン６樹脂）の繊維（単繊維繊度３ｄｔｅｘ）をカートリッジカッターで５．０ｍｍにカットし、チョップド樹脂繊維（Ｂ１−１）を得た。
水と界面活性剤（ナカライテクス（株）製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル（商品名））からなる濃度０．１重量％の分散液を２００リットル作成し、この分散液に、Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１０７ｇと、Ｂ１−１（チョップド樹脂繊維）１５３ｇを投入し、１０分間撹拌した後、長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍの抄紙面を有する大型角型シートマシン（熊谷理機工業株式会社製、Ｎ０．２５５３−Ｉ（商品名））に流し込み、吸引、脱泡して、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率が４１重量％であった。
得られた成形材料を、真空下、８０℃の温度で２４時間乾燥した。遠赤外線加熱炉で、窒素雰囲気下、２枚の成形材料を２８０℃に予熱し、キャビティー表面温度が１５０℃であり、厚み１．６ｍｍ、縦４００ｍｍ×横４００ｍｍの平板状のキャビティーを有する金型に予熱した２枚の成形材料を積層した状態で配置し（チャージ率１００％）、金型を閉じ、成形圧力３０ＭＰａで加圧した。成形圧力が３０ＭＰａに達してから２秒後に成形圧力を除荷し、除荷が完了した直後に再び成形圧力３０ＭＰａで加圧する操作を２回行い、成形材料に含まれる空気を取り除いた。続いて３０ＭＰａの加圧下、２分間保持した後、金型を開き、脱型し、繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
【実施例２】
【０００８】
Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１３９ｇと、Ｂ１−１（チョップド樹脂繊維）１３３ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は５１重量％であった。
また、実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
図３は、本発明の実施例２で得られた繊維強化熱可塑性樹脂成形体の縦断面を示す光学顕微鏡写真である。
【実施例３】
【０００９】
Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１９３ｇと、Ｂ１−１（チョップド樹脂繊維）９９ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は６６重量％であった。
また、実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
【実施例４】
【００１０】
Ａ１（炭素繊維）をカートリッジカッターで２．０ｍｍにカットし、チョップド炭素繊維（Ａ１−２）を得た。Ａ１−２（チョップド炭素繊維）１３９ｇと、Ｂ１−１（チョップド樹脂繊維）１３３ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は５１重量％であった。
また、実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
【実施例５】
【００１１】
Ａ１（炭素繊維）をカートリッジカッターで１２．７ｍｍにカットし、チョップド炭素繊維（Ａ１−３）を得た。Ａ１−３（チョップド炭素繊維）７０ｇと、Ｂ１−１（チョップド樹脂繊維）６７ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は５１重量％であった。
遠赤外線加熱炉で、窒素雰囲気下、４枚の成形材料を２８０℃に予熱し、平板状のキャビティーを有する金型に予熱した４枚の成形材料を積層した状態で配置すること以外は、実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
【実施例６】
【００１２】
Ｂ１（ナイロン６樹脂）の繊維（単繊維繊度３ｄｔｅｘ）をカートリッジカッターで３．０ｍｍにカットし、チョップド樹脂繊維（Ｂ１−２）を得た。Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１３９ｇと、Ｂ１−２（チョップド樹脂繊維）１３３ｇを分散容器内に投入した。ここで分散容器は、底面の直径６００ｍｍ、高さ６００ｍｍの円柱形状をし、内容積が２００リットルであり、側面から底面中心部に向け高速のエアーを導入するエアー吹き込み口があり、上面にフィルターを介しエアーを排出するエアー排出口があり、投入した原料を取り出せる脱着可能な底面を持つ容器を用いた。分散容器内に高速のエアーを導入し、Ａ１−１（チョップド炭素繊維）およびＢ１−２（チョップド樹脂繊維）を開繊し、１０分間混合する。混合後、エアーの導入を止め、Ａ１−１（チョップド炭素繊維）とＢ１−２（チョップド樹脂繊維）の混合物を分散容器の底面に堆積させた。分散容器の底面を取り外し、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍにカットし、成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は５１重量％であった。
また、実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
（比較例１）
ＪＳＷ製ＴＥＸ・３０α型二軸押し出し機（スクリュー直径３０ｍｍ、バレル温度２７０℃、回転数１５０ｒｐｍ）を用いて、Ａ１−１（チョップド炭素繊維）を水分率０．０５％以下になるように十分乾燥した後、これをサイドホッパーから投入し、またＢ１（ナイロン６樹脂）をメインホッパーから投入し、これらを十分混練し、シートダイスを介して厚み０．８ｍｍ、幅３００ｍｍの基材を連続的に押し出し、冷却後、カッターで長さ１０００ｍｍに切断して、炭素繊維の重量含有率が４１重量％の成形材料を得た。
また、実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
（比較例２）
Ａ２（炭素繊維）をカートリッジカッターで６．４ｍｍにカットし、チョップド炭素繊維（Ａ２−１）を得た。Ａ２−１（チョップド炭素繊維）１７４ｇと、Ｂ１−１（チョップド樹脂繊維）１１１ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は６１重量％であった。
また、実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。図４は、比較例２で得られた繊維強化熱可塑性樹脂成形体の縦断面を示す光学顕微鏡写真である。
（比較例３）
比較例１で得られた成形材料を長さ７ｍｍ、幅７ｍｍにカットし、真空下、８０℃にて２４時間乾燥させた後、スクリュー形状をフルフライト形状とした日本製鋼所（株）製Ｊ３５０ＥＩＩＩを使用し、スクリュー回転数６０ｒｐｍ、シリンダー温度２８０℃、射出速度９０ｍｍ／ｓｅｃ、射出圧力２００ＭＰａ、背圧０．５ＭＰａ、金型温度５５℃にて、厚み１．６ｍｍ、縦２００ｍｍ×横２００ｍｍの平板状の繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。炭素繊維の重量含有率は４１重量％であった。
（比較例４）
Ａ１−１（チョップド炭素繊維）７０ｇと、Ｂ１−１（チョップド樹脂繊維）１７６ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は２８重量％であった。
また、実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
（比較例５）
Ｂ１（ナイロン６樹脂）のペレットを凍結粉砕後、得られた粉砕粒子を１４ｍｅｓｈ（開孔径１．１８ｍｍ）のふるいにより分級し、１４ｍｅｓｈのふるいを通過した粉砕粒子をさらに６０ｍｅｓｈ（開孔径０．２５ｍｍ）のふるいにより分級し、６０ｍｅｓｈのふるい上に残った粉砕粒子を採取し、１４〜６０ｍｅｓｈの樹脂粒子（Ｂ１−２）を得た。Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１３９ｇと、Ｂ１−２（樹脂粒子）１３３ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は、成形材料に樹脂粒子が脱落したため、５６重量％となった。
【実施例７】
【００１３】
Ｂ２（無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂）の繊維（単繊維繊度３ｄｔｅｘ）をカートリッジカッターで５．０ｍｍにカットし、チョップド樹脂繊維（Ｂ２−１）を得た。Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１４０ｇと、Ｂ２−１（チョップド樹脂繊維）１０６ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率が５７重量％であった。
得られた成形材料を、真空下、６０℃の温度で２４時間乾燥した。遠赤外線加熱炉で、窒素雰囲気下、２枚の成形材料を２１０℃に予熱し、キャビティー表面温度が１００℃であり、厚み１．６ｍｍ、縦４００ｍｍ×横４００ｍｍの平板状のキャビティーを有する金型に予熱した２枚の成形材料を積層した状態で配置した以外は実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
【実施例８】
【００１４】
Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１９３ｇと、Ｂ２−１（チョップド樹脂繊維）８０ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は７１重量％であった。
また、実施例７と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
【実施例９】
【００１５】
Ｂ３（ポリブチレンテレフタラート樹脂）の繊維（単繊維繊度３ｄｔｅｘ）をカートリッジカッターで５．０ｍｍにカットし、チョップド樹脂繊維（Ｂ３−１）を得た。Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１０５ｇと、Ｂ３−１（チョップド樹脂繊維）１７９ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率が３７重量％であった。
得られた成形材料を、真空下、１３０℃の温度で２４時間乾燥した。遠赤外線加熱炉で、窒素雰囲気下、２枚の成形材料を２７０℃に予熱し、キャビティー表面温度が１３０℃の、厚み１．６ｍｍ、縦４００ｍｍ×横４００ｍｍの平板状のキャビティーを有する金型に予熱した２枚の成形材料を積層した状態で配置した以外は実施例１と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
【実施例１０】
【００１６】
Ａ１−１（チョップド炭素繊維）１４０ｇと、Ｂ３−１（チョップド樹脂繊維）１５３ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は４８重量％であった。
また、実施例９と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
（比較例６）
Ａ１−１（チョップド炭素繊維）２４６ｇと、Ｂ２−１（チョップド樹脂繊維）５３ｇを分散液に投入すること以外は、実施例１と同様の方法で、長さ４００ｍｍ、幅４００ｍｍの成形材料を得た。炭素繊維の重量含有率は８２重量％であった。
また、実施例７と同様の方法で繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
上記の実施例１〜６と比較例１〜４の繊維強化熱可塑性樹脂成形体を表１に、実施例１〜６と比較例１、２、４、５の成形材料の評価結果の評価結果を表２にまとめた。
表１に示した実施例１〜６と比較例１〜４の結果から、次のことが明らかである。すなわち、実施例１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、比較例１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に比べて、力学特性に優れている。実施例１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、比較例３の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に比べて、等方性に優れている。また、実施例１、２、３の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、比較例２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に比べて、力学特性に優れている。また、実施例１、２、３、４、５、６の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、比較例４の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に比べて、等方性に優れている。
表２に示した実施例１〜６と比較例１、２、４、５の結果から、次のことが明らかである。すなわち、実施例１、２、３、４、５、６の成形材料は、比較例１、４に比べて、等方性に優れている。また、実施例１、２、３の成形材料は、比較例２、５に比べて、成形材料の取り扱い性に優れている。
上記の実施例７〜１０と比較例６の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の評価結果を表３に、上記の実施例７〜１０と比較例６の成形材料の評価結果を表４にまとめた。
表３に示した実施例７〜１０と比較例６の結果から、次のことが明らかである。すなわち、実施例７、８の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、比較例６の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に比べて、力学特性に優れている。また、実施例７〜１０の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、様々な種類の熱可塑性樹脂において、高い力学特性が得られることを示している。
表４に示した実施例７〜１０と比較例６の結果から、次のことが明らかである。すなわち、実施例７、８の成形材料は、比較例６の成形材料に比べて、取り扱い性に優れている。また、実施例７〜１０の成形材料は、様々な種類の熱可塑性樹脂および炭素繊維において、等方性、および取り扱い性に優れた成形材料が得られることを示している。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【表４】
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【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、単繊維状の炭素繊維が高含有率で含まれ、その繊維長が長く、かつ炭素繊維がランダムに配置されているため、力学特性に優れ、さらに等方的な力学特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体とすることができ、電気・電子機器、ＯＡ機器、家電機器、土木・建築、自動車、航空機の部品、構造部品および筐体などに有用である。
本発明の成形材料は、単繊維状の炭素繊維と、単繊維状の熱可塑性樹脂繊維からなるため、取り扱い性に優れ、また炭素繊維が高含有率で含まれ、その繊維長が長く、かつ炭素繊維がランダムに配置されているため、力学特性およびその等方性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形体の成形に好適に用いられる。
本発明の製造方法は、前記成形材料を圧縮成形することにより、力学特性、およびその等方性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形体を製造するのに好適に用いられる。
本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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